Hücre içinde meydana gelen bütün biyolojik olayların tek yöneticisi DNA’dır. DNA bu temel görevleri, kendisinde kodlanan ve türe özgü spesifik genetik (Bilgiler) yardımıyla gerçekleştirir. Diğer bir ifadeyle esas fonksiyonlarını tam ve eksiksiz olarak yürütebilmesi, birçok özel yardımcı moleküller ve proteinlerin(enzim) aracılığıyla olur. Özellikle, olayların gelişmesi, hızlanması ve doğru yönde ilerlemesi için enzimlerin rolleri oldukça önemlidir. Hücre içinde DNA’nın 5 tip temel görevi vardır.

Bunlar:

1-) DNA Replikasyonu
2-) Transkripsiyon (mRNA sentezi)
3-) Revers transkripsiyon
4-) DNA tamir mekanizması
5-) DNA rekombinasyonları

REVERS TRANSKRİPSİYON

Transkripsiyonda RNA polimeraz-I, DNA ipliklerinden birini kalıp olarak kullanarak, buradaki genetik bilgileri aynen mRNA’ya aktarır. Bu işlemi ise DNA’ya bağımlı olarak sürdürür (DNA-mRNA).

Hücrelerde diğer bir mekanizma daha vardır ki, o da RNA veya mRNA kalıp olarak kullanılarak buna komplementeri olan DNA yani cDNA sentezlenmesidir. Tersine bir transkripsiyon (RNADNA) olduğu için buna REVERS TRANSKRİPSİYON denir. Bu tür transkripsiyonda, mRNA önemli bir kalıp fonksiyon yapar. cDNA sentezinde Revers transkriptaz enzimi etkin rol oynar.

Revers transkripsiyona genellikle, RNA’ya sahip virüslerin(retrovirüs) genetik materyali, mRNA olarak kalıp ödevi görür. Revers transkriptaz yardımıyla cDNA sentezlenir. Burada bir RNA-DNA hibriti oluşur. Sonra bu cDNA’da kalıp olarak görev yaparak DNA Polimeraz III yardımıyla ikinci DNA iplikciği sentezlenir. Oluşan bu çift iplikcikli DNA hücre DNA’sına integre olur. Bu şekil transkripsiyonda RNA özelliğinde genom taşıyan virüslerde rekombinant aşılar yapmak ve yabancı genleri hücre DNA’sına integre etmek mümkün olabilmektedir.

DNA TAMİR MEKANİZMASI

DNA’da meydana gelen değişik tür ve düzeydeki bozukluklar ve hatalar, çeşitli mekanizmalar tarafından düzeltilir ve DNA’nın fonksiyonlarının aksamasına engel olunur. Ancak bu nadir de olsa(10-9 -10 -10 ) DNA spontan mutasyonlar sonu veya replikasyon sırasında bazı değişiklikler meydana gelmekte veya yanlış bazlar sıraya girmektedir. Bazı mutajenik ve karsinojenik maddeler de DNA’da değişik derecede bozukluklar oluşturabilmektedir. Replikasyon sırasında oluşan ve sıraya giren yanlış bazlar, hücredeki düzeltme mekanizmaları tamir edilebilir. Diğer şekilde meydana gelen bozuklukların düzeltilmesi, oluşan zedelenmelerin derecesine göre değişir. Zarar büyük ise, bozukluk düzeltilemez ve hücre ölebilir. Buna karşılık küçük bozukluklar bazı özel mekanizmalarca hemen tamir edilir.

GENETİK MADDE AKTARIMI

Mikroorganizmalarda doğal olarak başlıca üç şekilde genetik materyal (gen) aktarılmaktadır. Bunlar:

Transformasyon
Konjugasyon
Transdüksiyon

Bu üç aktarım mekanizması, genetik maddenin aktarım yolundan başka, aktarılan DNA segmentlerinin büyüklüğü ve yapısı bakımından da farklılık gösterirler. Yüksek canlılardaki cinsel çoğalmaya benzedikleri için bazen Paraseksüel Üreme adı ile de anılan bu olaylarda DNA segmenti alıcı bakterinin içine girdikten sonra oluşan olaylar dizisi hemen hemen aynı sırayı izlemekte ve aktarılan DNA segmentinin alıcı kromozomunun yapısına girerek ona yeni bazı özellikleri kazandırması ile sonuçlanmaktadır.

1-) TRANSFORMASYON: Alıcı bakterilerin ortamdan çözülmüş DNA moleküllerini içlerine almalardır. Bir bakterinin genetik maddelerini bir başka bakteriye geçerek ona yeni özellikler kazandırabileceğini düşündüren ilk bulgular Griffith’in 1928’de yaptığı ilginç deneylerden elde edilmiştir.

Griffith deneylerinde canlı, kapsülsüz, farelerde hastalık oluşturmayan (avirülan), R formunda Tip II pneumokoklar ile, ısıyla öldürülmüş kapsüllü, canlı iken hastalık oluşturabilen (virulan) S formundaki Tip I pneumokokları kullanılmıştır. Bu iki bakteri suşu ayrı ayrı olarak farelere deri altı yoluyla enjekte edilmeleri halinde hayvanlarda hastalık ve ölüm görülmez. Çünkü virülan olan bakteriler öldürürler. Canlı olanlar ise avirülan olanlardır. Bu iki suşun (ırk) birbirleriyle karıştırılarak farelere şırınga edilmesi halinde de hayvanların hastalanmaması ve canlı kalmaları beklenirken Griffith yaptığı deneylerde bu halde farelerin tipik septisemi belirtiler ile öldüklerini görmüştür. Üstelik ölen farelerin kanlarında canlı, virulan, kapsüllü (S formunda) Tip II pneumokoklar izole edilebilmekteydi. Bu deneyler şu şekilde özetlenebilir.

1-) Canlı (avirulan) -> Farelere -> Hastalık ve ölüm
pneumokoklar Şırınga görülmez.

2-) Ölü virulan -> Farelere -> Hastalık ve ölüm
pneumokoklar şırınga görülmez.

3-) Canlı avirulan + ölü -> Farelere -> Hastalık ve ölüm
virulan pneumokok Şırınga karışımı

Bu olayın en akla yakın açıklaması, ölü virulan suşlarda bulunan bir maddenin canlı virulan maddelere geçerek bu dönüşümü yani transformasyonu sağladığı şeklinde olabilirdi. Griffith, bu transformasyonu yapan maddenin ya kapsül polisakkaridinin kendisi ya da kapsül sentezini aktive edebilen bir protein olabileceğini düşünmüştü.

1931’de Dawson ve Sia, aynı transformasyonun tüp içinde de yapılabileceğini gösterdiler. 1932’de Alloway sadece virülan bakterilerin değil bunlardan elde edilen ekstrelerin de transformasyon yapabildiğini ispatladı. Nihayet 1944’te Avery, McLeod ve McCarty transformasyondan sorumlu maddenin DNA olduğunu ve virulan pneumokoklardan elde edilip saflaştırılan DNA moleküllerinin aynı dönüşümü meydana getirebildiğini ispatlamışlardır.

Transformasyondan sorumlu olan kimyasal maddenin DNA olduğunu ispatlayan en önemli deliller şunlardır.

1-) Transformasyon yapabilen bakteri ekstrelerinin bu yetenekleri ortama DNA’se enzimi eklenmesi halinde tamamen kaybolur. Bu enzim DNA’yı hidrolize ederken protein ve RNA moleküllerine hiçbir etkisi yoktur.

2-) Aynı ekstrelere proteinleri etkileyen enzimlerle ya da sadece RNA’yı etkileyen RNA’se enzimi ile muamele edilmesi transformasyon olayına hiçbir etki yapmaz.

Bakterilerde görülen transformasyon olayının yüksek canlıların hücrelerinde de araştırılmıştır. Yapılan araştırmalarda bazı virüslerin normal hücreleri kanser hücreleri haline transforme edişleri dışında bugüne kadar olumlu bir sonuç alınamamıştır.

TRANSFEKSİYON

Transformasyonda alıcı bakterilere verici bakterilerden elde edilen DNA segmentlerinin girişi söz konusudur.Bir bakteri hücresi o bakteriye özgü fajlardan ve bazı virüslerden elde edilen DNA preparatlarıyla enfekte edilebilir.ve bu gibi bakteriler DNA replikasyonu ve faj olgunlaşması sonucu olgun fajları salgılayabilirler.Transformasyonla Trandüksiyon olaylarının karışımı olan bu olaylara TRANSFEKSİYON denir.

2-) KONJUGASYON

Bakteriler arasında direk temas ve köprü oluşması suretiyle verici DNA segmentlerinin alıcı hücrelere geçmesine Konjugasyon denir.

Bakterilerdeki konjugasyon,yüksek canlılardaki cinsel birleşmeye çok benzer. Bu olayda birbirlerine değen iki bakteri hücresinden birinin genomunun bir bölümü aralarında oluşan bir kanaldan diğer bakteriye geçmektedir. Diğer bir tanımla konjugasyon: Bir Bakteriye ait genetik madde (DNA), aynı cins içinde bulunan veya aynı türden diğer mikroorganizmaya direk temas veya sex pilusları aracılığı ile transfer edilmesidir. Bu olayda birbirlerine değen iki bakteri hücresinden birinin genomunun bir bölümü aralarında oluşan bir kanaldan diğer bakteriye geçmektedir.

Bu olayın keşfinde Beadle ve Tatum’un 1941’ de Neurospora crassa ve N.sitophila dan röntgen ışınlarıyla elde ettikleri biyokimyasal mutantlarla yaptıkları çalışmalar ve Gray ile Tatum’un 1946’ da bu tip deneylerde kullanılabilecek bakteri mutantlarını elde edişlerinin büyük katkısı olmuştur.

1946’da Lederberg ve Tatum E.coli Kız olarak işaretlemiş oldukları bir suştan elde ettikleri Oksotrofik mutantlarla (üreyip çoğalabilmesi için gerekli olanmaddeleri çevreden alma zorunluluğu olan ) ilk kez konjugasyon olayının varlığını ispatladılar.Bu araştırıcılar,şu düşüncelerden hareket etmişlerdi:

a-) Eğer bakterilerde genetik yeni bileşim oluşuyorsa herhalde bu seyrek bir olaydır.Oluşan seyrek yeni bileşen hücreleri saptayabilmek için bir özek seçme işlemi uygulaması gerekecektir.

b-) Genetik yeni bileşenlerin seçilmelerinde,iki ya da daha fazla özellik bakımından birbirinden farklı olan atasal bakteri hücrelerinin kullanılması özellikle uygundur.Bakterilerde aynı hücrede iki ayrı geni birden ilgilendiren kendiliğinden ikili mutasyonlar olağanüstü seyrek, yaklaşık 10 -14 olguda bir oluşabilir.Halbuki röntgen ışını gibi mutajenlerle tekli, ikili yada üçlü mutantlar laboratuvarda kolayca elde edilebilirler.

E.coli Kız suşu prototrof (Sentez işlemleri için bütün işlemleri içeren ) bir bakteridir.Üremesi için hiçbir üreme faktörüne ihtiyaç duymaz. Sadece su,mineraller ve bir KH içeren besiyerlerinde (Minimal besiyeri) bütün enzimlerini,vitaminlerinive proteinlerini sentezleyerek üreyebilir. Lederberg ve Tatum deneylerinde bu bakterilerden elde ettikleri çift mutant bakteri kulandılar. Bu oksotrafik (üreyebilmesi için gerekli enzimleri içermeyen ) mutantlardan birisi Treonin ve Lözih’i sentezlyemeyen ve üremesi için aa’lere kesinlikle ihtiyaç duyan bir mutanttı. Genomunda iki ayrı bölgede mutasyon vardı. Bu aa’ler içermeyen minimal besiyerlerinde üreyemiyordu. Diğer ikili mutant ise Biotin ve metionin’i sentezleyemiyordu. Bu iki mutant suş , diğerinin mutant olduğu özellik bakımından

Her iki mutant suş farklı üreme faktörlerine ihtiyaç duyduklarından bu maddeleri içermeyen minimal ayar plaslarına ayrı ayrı ekildiklerinde üreyemezler. Lederberg ve Tatum her iki mutanttan yaklaşık olarak 108 bakteriyi birbirine karıştırdıktan sonra bu üreme faktöründen hiçbirisini içermeyen minimal ağar plaklarına ektikleri zaman, enkübasyon süresinin sonunda plaklarda bir kaç yüz koloninin oluştuğunu gördüler.Bu kolonilerden alınan bakterilerin fenotiplerinin thr+-Leu+-bio+-met+ olduğu bu dört üreme faktörünü sentezleyebildiklerini ve yapılan pasajlarda (ekim,geçme)bu özelliklerin bunlardan oluşan yeni kuşak bireylerinde de devam ettiği gösterildi.

PROTOTROF:

Normal bakteriler su, KH kaynağı, değişik yapıda N, S ve P kaynağı bulunan besiyerlerinde, kendileri için gerekli olan bütün maddeleri sentezleyerek üreyebilirler.Sentez işlemleri için bütün enzim sistemleri kusursuz olarak çalışan böyle bakterilere PROTOTROF bu duruma ise PROTOTROFLUK denir.

OKSOTROF:

Eğer bir mutasyon, hücrenin canlılığı için kesinlikle gerekli olmayan, son ürünü çevreden alınabilecek olan bir biyosentez yolunda iş gören bir enzimin kaybedilmesi ya da fonksiyonunun bozulması sonucunu vermişse, mutant birey bu maddeyi(veya maddeleri) çevresinden sağlamak zorunda kalır. Böyle bir madde artık o madde için bir üreme faktörü haline gelmiş demektir. Mutant birey, bir veya birkaç madde bakımından çevresine bağımlı duruma gelmiş olur. Bu maddeleri ortamda bulamazsa üreyip çoğalmaz. İşte bu fenotipik duruma OKSOTROF’luk denir bu gibi mutantlara ise Oksotrof mutant denir.

3-)TRANSDÜKSİYON

Bir bakterinin DNA segmentlerinin ılımlı bir faj tarafından diğer bir bakteri hücresine taşınmasına TRANSDÜKSİYON denir. Gram negatif (Salmonella, E.coli, shigella, proteus) ve gram pozitif mikroorganizmalarda (stafilokok, basiller) bu şekilde gen aktarımı olmaktadır. İkiye ayrılır:

a-) Genaralize Transdüksiyon

Bir bakteri hücresi içinde faj gelişirken, parçalanan konakçı DNA’sının herhangi bir segmentinin, aynı yerde sentezlenen faj başlığı içinde kalabilir. Böyle faj olgunlaştığında faj başlığı içinde, kendi genomu yanısıra içinde ürediği bakterinin de genetik materyaline sahip olmuş ve bunu diğer bir bakteriyi infekte ettiğinde de ona aktarmış olur.

b-) Özel Transdüksiyon

Transdüksiyon yapan faj, içinde bulunduğu konakçı DNA’sının belli bir yerine yerleşir. Örneğin Lambda fajı E.coli’de galaktoz geni ile Biotin geni arasındaki bölgeye girer ve profaj haline gelir. Böyle bakteriler UV ışınlarına maruz bırakılırsa faj buradan ayrılır, bağlandığı yerden E.coli’ye ait bazı DNA sekanslarını da (bölme) beraber olarak dışarıya çıkar ve başka bir hücreyi infekte ettiğinde bu DNA sekanslarını alıcı bakteriye aktarabilir.